JP4369321B2 - Diagnosis method of fluid rotating machine - Google Patents
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Description
本発明は、正常時と点検時の状態を比較して流体回転機械を診断する方法に関する。 The present invention relates to a method for diagnosing a fluid rotating machine by comparing the state at normal time and the time of inspection.
従来、真空ポンプ、送風機、又は圧縮機等の流体回転機械の機械要素である歯車、ベアリング、又はロータ等の状態診断には、音響、視覚、及び触覚等のいずれか1又は2以上の機械的(五感及び電気的に測定したものも含む)な兆候による方法、電圧量及び電流量等のいずれか1又は2以上の変化による電気的な兆候による方法、及び潤滑油中の金属屑等の異物の分析による方法等が知られている。また、流体回転機械のケーシングに取付けられた加速度センサ等で検知した振動の振動信号等から得られる1変量のパラメータによる診断方法も知られている(例えば、非特許文献1参照)。 Conventionally, in the state diagnosis of gears, bearings, rotors, etc., which are mechanical elements of fluid rotary machines such as vacuum pumps, blowers, or compressors, one or more of acoustic, visual and tactile senses are used. (Including the five senses and those measured electrically), a method based on signs, a method based on electrical signs due to changes in one or more of voltage and current, etc., and foreign matter such as metal scraps in lubricating oil A method based on the analysis is known. There is also known a diagnosis method using a univariate parameter obtained from a vibration signal of vibration detected by an acceleration sensor or the like attached to a casing of a fluid rotary machine (for example, see Non-Patent Document 1).
しかしながら、流体回転機械の状態を機械的な兆候による方法、電気的な兆候による方法、又は潤滑油の分析による方法等によって解析する場合には、測定値が流体回転機械の使用状況等によって大きくばらつくため、流体回転機械の状態の判断が困難であり、異常の早期発見が難しかった。また、同一の流体回転機械であっても測定点又は測定する人等が異なると判定基準が異なっていた。更に、異なった流体回転機械ではそれぞれに判定基準を設定しなければならなかった。また、非特許文献1に記載された方法では、1変量によって診断しているので診断精度が低かった。 However, when the state of the fluid rotating machine is analyzed by a mechanical sign method, an electrical sign method, a lubricating oil analysis method, or the like, the measured value varies greatly depending on the usage status of the fluid rotating machine, etc. Therefore, it is difficult to determine the state of the fluid rotating machine, and it is difficult to detect an abnormality early. Moreover, even if it is the same fluid rotary machine, the determination criteria differed when the measurement point or the person to measure differed. In addition, different fluid rotating machines had to set criteria for each. Further, in the method described in Non-Patent Document 1, the diagnosis accuracy is low because diagnosis is performed by univariate.
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、統一的な判定基準の設定が可能な高精度の流体回転機械の診断方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a highly accurate diagnosis method for a fluid rotary machine capable of setting a uniform determination criterion.
前記目的に沿う請求項1記載の流体回転機械の診断方法は、予め回転部に機械要素を有する流体回転機械の正常時に該流体回転機械の状態を示す複数の状態信号からなる第1の状態信号群を所定時間間隔でそれぞれ測定して有次元の第1の状態データ群を得た後、前記流体回転機械の点検時に該流体回転機械の状態を示す複数の状態信号からなる第2の状態信号群を所定時間間隔でそれぞれ測定して有次元の第2の状態データ群を得る第1工程と、
前記第1の状態データ群をそれぞれ無次元の第1のパラメータ群に変換した時系列の第1のマトリックスと、前記第2の状態データ群をそれぞれ無次元の第2のパラメータ群に変換した時系列の第2のマトリックスとをそれぞれ作成する第2工程と、
前記第1及び第2のマトリックスを1つの多変量カルバック・ライブラー情報量として算出する第3工程と、
前記多変量カルバック・ライブラー情報量によって前記流体回転機械の状態を判断する第4工程とを有し、
前記流体回転機械の正常時の状態信号と点検時の状態信号とを比較して前記回転機械の異常を検知する。
The fluid rotary machine diagnosis method according to claim 1, which meets the above object, includes a first state signal including a plurality of state signals indicating a state of the fluid rotary machine when the fluid rotary machine having a machine element in a rotating part in advance is normal. A second state signal consisting of a plurality of state signals indicating the state of the fluid rotating machine when the fluid rotating machine is inspected after each group is measured at predetermined time intervals to obtain a dimensional first state data group A first step of measuring each group at predetermined time intervals to obtain a dimensional second state data group;
A time-series first matrix obtained by converting the first state data group to a dimensionless first parameter group, and a time series first matrix converted to a dimensionless second parameter group, respectively. A second step of creating a second matrix of series respectively;
A third step of calculating the first and second matrices as one multivariate Kullback-Liber information amount;
And a fourth step of determining the state of the fluid rotary machine based on the multivariate Kalbach librarian information amount,
An abnormality of the rotating machine is detected by comparing a normal state signal of the fluid rotating machine with a state signal at the time of inspection.
請求項1記載の流体回転機械の診断方法において、真空ポンプ、送風機、又は圧縮機等の流体回転機械の回転部には、歯車、ベアリング、及びロータ等の1又は2以上が含まれる。また、流体として液体又は気体を使用することができる。流体回転機械の状態信号としては、流体回転機械の振動の変位、速度、及び加速度等の1又は2以上を検知した信号、すなわち、振動信号、流体回転機械の回転部を回転させるモータ等の電流及び電圧の一方又は双方を検知した信号、すなわち、電気信号、流体回転機械から排出する気体の温度を検知した信号、すなわち、温度信号、流体回転機械で吸引した空間の圧力を検知した信号、すなわち、圧力信号、流体回転機械を冷却する冷却水の流量及び温度の一方又は双方を検知した信号、及び、流体回転機械に供給するガスの流量及び温度の一方又は双方を検知した信号等があり、これらの複数の状態信号からなる状態信号群を所定時間間隔、例えば、20μ秒間〜0.1秒間間隔、つまりサンプリング周波数10Hz〜50kHzで測定する。 The fluid rotary machine diagnosis method according to claim 1, wherein the rotary part of the fluid rotary machine such as a vacuum pump, a blower, or a compressor includes one or more of a gear, a bearing, a rotor, and the like. Further, liquid or gas can be used as the fluid. The state signal of the fluid rotating machine includes one or more signals such as vibration displacement, speed and acceleration of the fluid rotating machine, that is, a vibration signal, a current of a motor or the like that rotates the rotating part of the fluid rotating machine. And a signal that detects one or both of the voltages, i.e., an electrical signal, a signal that detects the temperature of the gas discharged from the fluid rotating machine, i.e., a temperature signal, a signal that detects the pressure of the space sucked by the fluid rotating machine, i.e. , A pressure signal, a signal that detects one or both of the flow rate and temperature of cooling water that cools the fluid rotating machine, a signal that detects one or both of the flow rate and temperature of the gas supplied to the fluid rotating machine, etc. A state signal group consisting of a plurality of state signals is measured at a predetermined time interval, for example, at intervals of 20 μsec to 0.1 sec, that is, at a sampling frequency of 10 Hz to 50 kHz. That.
流体回転機械の正常時及び点検時に測定した第1及び第2の状態信号群は、それぞれのアナログの状態信号がデジタルの状態データに変換されて、それぞれ有次元の第1及び第2の状態データ群が得られる。また、第1及び第2の状態データ群は、それぞれ第1及び第2の無次元のパラメータ群に変換される。ここで、例えば、温度信号の有次元の状態データの場合には、所定時間間隔毎の温度の変化率(無次元)に変換することができる。更に、第1及び第2の複数の無次元のパラメータ群から、それぞれ第1及び第2の時系列のマトリックスが作成される。 The first and second state signal groups measured at the time of normal operation and inspection of the fluid rotary machine are converted into digital state data from the respective analog state signals. A group is obtained. Also, the first and second state data groups are converted into first and second dimensionless parameter groups, respectively. Here, for example, in the case of dimensional state data of the temperature signal, it can be converted into a temperature change rate (non-dimensional) at predetermined time intervals. Furthermore, first and second time series matrices are created from the first and second dimensionless parameter groups, respectively.
ここで、多変量カルバック・ライブラー情報量(Multivariate Kullback-Leibler Infomation、以下、MKIともいう)は、経済統計学等に使用される統計理論であって、(1)式で示される。ここで、fR は正常時(Reference 、R)の複数状態データの分布、fT は点検時(Test、T)の複数状態データの分布を示し、それぞれのx1 〜xk は有次元の振動データから変換された複数(k個)のパラメータを示す。 Here, the multivariate Kullback-Leibler Infomation (hereinafter also referred to as MKI) is a statistical theory used in economic statistics and the like, and is represented by the equation (1). Here, f R represents the distribution of the multi-state data at normal time (Reference, R), f T represents the distribution of the multi-state data at the time of inspection (Test, T), and each of x 1 to x k is dimensional. A plurality (k) of parameters converted from vibration data are shown.
μR 及びμT はそれぞれのx1 〜xk のk変量の平均値ベクトルであり、SR 及びST はそれぞれのx1 〜xk 及び、μR 又はμT から求められるk変量の共分散マトリックスである。μR 、μT 、SR 、及びST については、後で詳しく述べる。多変量カルバック・ライブラー情報量は、正常時の複数状態データの分布と点検時の複数状態データの分布との差異を示し、この値によって流体回転機械の異常を検知することができる。 mu R and mu T is the mean value vector of the k variables of the respective x 1 ~x k, S R and S T each of x 1 ~x k and, mu R or co of k variables obtained from mu T A dispersion matrix. μ R , μ T , S R and S T will be described in detail later. The multivariate Cullback / librar information amount indicates the difference between the distribution of the multi-state data at the normal time and the distribution of the multi-state data at the time of inspection, and the abnormality of the fluid rotating machine can be detected by this value.
正常時及び点検時の状態データをそれぞれ複数の無次元のパラメータ(x1 〜xk )に変換した時系列の第1及び第2のマトリックスXI を(2)式に示し、x1 〜xk のそれぞれの平均値(μ1 〜μk )からなる平均マトリックスμI を(3)式に示す。なお、Iは、R又はTである(以下同様)。 The time series first and second matrices X I obtained by converting the normal state data and the inspection state data into a plurality of dimensionless parameters (x 1 to x k ) are shown in Equation (2), and x 1 to x each of the average value of k the mean matrix mu I consisting (μ 1 ~μ k) shown in equation (3). I is R or T (the same applies hereinafter).
ここで、(2)式及び(3)式から、(4)式に示される正常時及び点検時の共分散マトリックスSI をそれぞれ求め、μR 、SR 、μT 、ST を(1)式に代入して、多変量カルバック・ライブラー情報量MKIを算出する。算出されたMKIの値と所定の判定基準とを比較して流体回転機械の状態、つまり、正常であるか異常であるかを判断することができる。 Here, from the equations (2) and (3), the covariance matrices S I at the normal time and the inspection time shown in the equation (4) are obtained, respectively, and μ R , S R , μ T , S T are calculated as (1 Substituting into the formula, the multivariate Cullback / librar information amount MKI is calculated. By comparing the calculated MKI value with a predetermined criterion, it is possible to determine the state of the fluid rotating machine, that is, whether it is normal or abnormal.
請求項2記載の流体回転機械の診断方法は、請求項1記載の流体回転機械の診断方法において、前記第1及び第2の状態信号群はそれぞれ前記流体回転機械の振動信号、電気信号、温度信号、及び圧力信号のいずれか2以上を有している。
請求項2記載の流体回転機械の診断方法において、振動信号、電気信号、温度信号、及び圧力信号は、例えば、それぞれ所定時間当たりの変化率に変換されて無次元のパラメータとされ、(1)式において、x1 〜xk として表される。
The fluid rotary machine diagnosis method according to claim 2 is the fluid rotary machine diagnosis method according to claim 1, wherein the first and second state signal groups are a vibration signal, an electric signal, and a temperature of the fluid rotary machine, respectively. Any two or more of the signal and the pressure signal are included.
3. The fluid rotating machine diagnosis method according to claim 2, wherein the vibration signal, the electric signal, the temperature signal, and the pressure signal are each converted into a non-dimensional parameter by, for example, being converted into a rate of change per predetermined time. in the formula, expressed as x 1 ~x k.
請求項3記載の流体回転機械の診断方法は、請求項2記載の流体回転機械の診断方法において、前記振動信号は、歪み度、尖り度、波高率、極小値率、極大値率、最大値率、安定指数、周波数波高率、等価帯域、及び周波数高低比のいずれか2以上の無次元のパラメータに変換される。
請求項3記載の流体回転機械の診断方法において、歪み度、尖り度、波高率、極小値率、極大値率、及び最大値率は、一般的な統計解析の式であり、それぞれ(5)式〜(10)式で示される。また、安定指数、周波数波高率、等価帯域、及び周波数高低比は、波形の情報を定量化する数式であり、それぞれ(11)式〜(14)式で示される。これらは(1)式において、x1 〜xk として表される。
The fluid rotating machine diagnosis method according to
4. The fluid rotating machine diagnostic method according to
なお、(11)式〜(14)式で示される安定指数、周波数波高率、等価帯域、及び周波数高低比は、振動信号の時系列波形を高速フーリエ変換(Fast Fourier Transform)することにより求めたパワースペクトルP(fi)の形状を定量化するパラメータである。 Note that the stability index, frequency crest factor, equivalent band, and frequency height ratio represented by the equations (11) to (14) were obtained by performing a fast Fourier transform on the time series waveform of the vibration signal. This is a parameter for quantifying the shape of the power spectrum P (fi).
請求項4記載の流体回転機械の診断方法は、請求項2及び3記載の流体回転機械の診断方法において、前記振動信号は、前記流体回転機械のケーシングに設置した加速度センサによって測定される前記流体回転機械の振動の加速度である。
請求項4記載の流体回転機械の診断方法において、加速度センサは機械的なショックや振動を受けると電気出力を発生する電気変換器であり、比較的大きな信号を検出対象とし、共振周波数より低い周波数においての力の変化、すなわち、加速度に比例した電荷の変化を引き起こす効果を利用した装置である。
5. The fluid rotary machine diagnosis method according to claim 4, wherein the vibration signal is measured by an acceleration sensor installed in a casing of the fluid rotary machine. This is the acceleration of vibration of the rotating machine.
5. The fluid rotating machine diagnosis method according to claim 4, wherein the acceleration sensor is an electrical converter that generates an electrical output when subjected to mechanical shock or vibration, and has a relatively large signal as a detection target and a frequency lower than the resonance frequency. It is a device that utilizes the effect of causing a change in force at the point, that is, a change in charge proportional to the acceleration.
加速度センサとしては、例えば圧電型の加速度センサが知られ、圧電型の加速度センサは電荷出力型とアンプ内蔵型に分類される。アンプ内蔵型は更に定電流駆動型と電圧駆動型があり、小型で駆動が容易であるため定電流駆動型が好適に使用される。 As the acceleration sensor, for example, a piezoelectric acceleration sensor is known, and the piezoelectric acceleration sensor is classified into a charge output type and a built-in amplifier type. The amplifier built-in type is further divided into a constant current drive type and a voltage drive type. Since the drive is small and easy to drive, the constant current drive type is preferably used.
請求項5記載の流体回転機械の診断方法は、請求項1〜4記載の流体回転機械の診断方法において、前記第1及び第2の状態信号群のそれぞれの状態信号は前記流体回転機械の1箇所又は2箇所以上で測定される。
請求項5記載の流体回転機械の診断方法において、流体回転機械の、例えばモータ等において、その回転軸の軸心を水平方向に配置した場合に、回転軸の軸心に対して、垂直方向及び水平方向、また、回転軸の軸心と同一方向等の振動信号を測定することができる。
The fluid rotary machine diagnosis method according to claim 5 is the fluid rotary machine diagnosis method according to claims 1 to 4, wherein each of the state signals of the first and second state signal groups is 1 of the fluid rotary machine. Measured at one location or two or more locations.
6. The fluid rotary machine diagnosis method according to claim 5, wherein in the fluid rotary machine, for example, a motor or the like, when the axis of the rotary shaft is arranged in the horizontal direction, Vibration signals in the horizontal direction and in the same direction as the axis of the rotating shaft can be measured.
請求項6記載の流体回転機械の診断方法は、請求項1〜5記載の流体回転機械の診断方法において、前記第4工程における前記流体回転機械の状態判断は統計的一般化漸近理論によって行う。
請求項6記載の流体回転機械の診断方法において、統計的一般化漸近理論は(15)式で示される。ここで、(15)式から、(16)式及び(17)式でそれぞれ表される帰無仮説H0 、対立仮説H1 に対して、有意水準をαとすると多変量カルバック・ライブラー情報量の推定値は(18)式で示される。なお、k変量MKIの判定基準Rk (α)はカイ二乗分布(χ2 分布)に従う。
The fluid rotary machine diagnosis method according to claim 6 is the fluid rotary machine diagnosis method according to claims 1 to 5, wherein the state determination of the fluid rotary machine in the fourth step is performed by a statistical generalized asymptotic theory.
In the diagnostic method of the fluid rotating machine according to claim 6, the statistical generalized asymptotic theory is expressed by equation (15). Here, for the null hypothesis H 0 and the alternative hypothesis H 1 expressed by the equations (15), (16) and (17), the multivariate Kalbach librarian information is assumed if the significance level is α. The estimated value of the quantity is expressed by equation (18). Note that the criterion R k (α) for the k-variable MKI follows a chi-square distribution (χ 2 distribution).
ここで、MKIの推定量がk変量MKIの判定基準Rk (α)よりも小さい場合には、正常時及び点検時の振動データの分布が同じであり、流体回転機械が正常であると判断する。また、MKIの推定量がk変量MKIの判定基準Rk (α)以上の場合には、正常時及び点検時の振動データの分布が異なり、流体回転機械が異常であると判断する。 Here, when the estimated amount of MKI is smaller than the determination criterion R k (α) of the k-variable MKI, it is determined that the distribution of vibration data at the normal time and the inspection is the same, and the fluid rotary machine is normal. To do. Further, when the estimated amount of MKI is equal to or larger than the criterion R k (α) of the k-variable MKI, the distribution of vibration data at the normal time and at the time of inspection is different, and it is determined that the fluid rotating machine is abnormal.
請求項7記載の流体回転機械の診断方法は、請求項6記載の流体回転機械の診断方法において、前記流体回転機械の状態判断は2段階で行われる。
請求項7記載の流体回転機械の診断方法において、MKIの推定量がk変量MKIの判定基準Rk (α)よりも低いRk (β)を設定し、Rk (β)を注意レベル、Rk (α)を危険レベルとする。
The fluid rotary machine diagnosis method according to claim 7 is the fluid rotary machine diagnosis method according to claim 6, wherein the state determination of the fluid rotary machine is performed in two stages.
In the diagnostic method of the fluid rotary machine of claim 7, wherein, the estimated amount of MKI sets a lower than R k (beta) criterion R k of k variables MKI (alpha), attention level R k (beta), Let R k (α) be the danger level.
ここで、(19)式に示すように、MKIが注意レベルRk (β)未満では、流体回転機械が正常であると判断できる。また、(20)式に示すように、MKIが注意レベルRk (β)以上で危険レベルRk (α)未満では、流体回転機械の異常が発生し易くなっていると判断でき、余寿命予測と精密診断を施し、予備機の準備及び必要な部品の調達等のいずれか1又は2以上の保全計画を立てることができる。更に、(21)式に示すように、MKIが危険レベルRk (α)以上では、流体回転機械に異常が発生していると判断でき、流体回転機械の取り替え、整備等を行う。 Here, as shown in the equation (19), when the MKI is less than the attention level R k (β), it can be determined that the fluid rotating machine is normal. Further, as shown in the equation (20), when the MKI is not less than the caution level R k (β) and less than the danger level R k (α), it can be determined that an abnormality of the fluid rotating machine is likely to occur, and the remaining life Predictions and precise diagnosis can be performed, and one or more maintenance plans can be made, such as preparation of spare machines and procurement of necessary parts. Further, as shown in the equation (21), when the MKI is equal to or higher than the danger level R k (α), it can be determined that an abnormality has occurred in the fluid rotating machine, and the fluid rotating machine is replaced or maintained.
請求項8記載の流体回転機械の診断方法は、請求項1〜7記載の流体回転機械の診断方法において、前記第1及び第2の状態データ群はそれぞれフィルタリングによるノイズ除去、時間平均化、及び包絡線処理のいずれか1又は2以上の前処理が行われる。
請求項8記載の流体回転機械の診断方法において、状態信号には流体回転機械の外部及び内部からの雑音(ノイズ)等が含まれるので、ノイズ除去、時間平均化、及び包絡線処理等のいずれか1又は2以上の前処理を行う。
The fluid rotary machine diagnosis method according to claim 8 is the fluid rotary machine diagnosis method according to any one of claims 1 to 7, wherein the first and second state data groups are noise removal by filtering, time averaging, and Any one or two or more pre-processing of envelope processing is performed.
9. The fluid rotating machine diagnosis method according to claim 8, wherein the status signal includes noise from the outside and inside of the fluid rotating machine, so that any of noise removal, time averaging, envelope processing, etc. Or one or more pretreatments.
請求項9記載の流体回転機械の診断方法は、請求項1〜8記載の流体回転機械の診断方法において、前記第2の状態信号群はオンラインで処理され、該第2の状態信号群の状態信号は逐次解析されて、前記流体回転機械をオンラインで監視する。
請求項9記載の流体回転機械の診断方法は、複数の流体回転機械をインターネット又はイントラネット等のネットワークで接続して、1つの処理装置、例えばパーソナルコンピュータで解析することができる。多変量カルバック・ライブラー情報量によって、流体回転機械の状態を判断するので、流体回転機械のそれぞれに判定基準を設けなくてもよい。
The fluid rotary machine diagnosis method according to claim 9 is the fluid rotary machine diagnosis method according to claim 1, wherein the second state signal group is processed online, and the state of the second state signal group is determined. The signals are analyzed sequentially to monitor the fluid rotary machine online.
In the fluid rotary machine diagnosis method according to the ninth aspect, a plurality of fluid rotary machines can be connected by a network such as the Internet or an intranet, and can be analyzed by a single processing device, for example, a personal computer. Since the state of the fluid rotating machine is determined based on the amount of information on the multivariate Kullback and library, it is not necessary to provide a criterion for each of the fluid rotating machines.
請求項1〜9記載の流体回転機械の診断方法は、流体回転機械の正常時及び点検時に所定時間間隔でそれぞれ測定した状態信号からなる第1及び第2の状態信号群から得られる有次元の第1及び第2の状態データ群をそれぞれ変換した第1及び第2の複数の無次元のパラメータ群からなる第1及び第2のマトリックスから1つの多変量カルバック・ライブラー情報量として算出して流体回転機械の状態を判断するので、高精度で信頼性の高い診断が可能で、統一的な判定基準が設定できる。 The fluid rotary machine diagnosis method according to any one of claims 1 to 9, wherein the fluid rotary machine has a dimensionality obtained from first and second state signal groups each consisting of state signals measured at predetermined time intervals during normal operation and inspection of the fluid rotary machine. Calculating as one multivariate Kullback-Riverer information amount from the first and second matrices formed from the first and second dimensionless parameter groups obtained by converting the first and second state data groups, respectively. Since the state of the fluid rotating machine is judged, highly accurate and reliable diagnosis is possible, and uniform judgment criteria can be set.
特に、請求項2記載の流体回転機械の診断方法は、第1及び第2の状態信号群が流体回転機械の振動信号、電気信号、温度信号、及び圧力信号のいずれか2以上を有しているので、複数の状態信号を定量化して流体回転機械の状態をより高精度に判断できる。
請求項3記載の流体回転機械の診断方法は、振動信号は、歪み度、尖り度、波高率、極小値率、極大値率、最大値率、安定指数、周波数波高率、等価帯域、及び周波数高低比のいずれか2以上の無次元のパラメータに変換されるので、流体回転機械の回転機械の状態をより高精度に判断できる。
In particular, in the fluid rotary machine diagnosis method according to claim 2, the first and second state signal groups include any two or more of a vibration signal, an electrical signal, a temperature signal, and a pressure signal of the fluid rotary machine. Therefore, the state of the fluid rotary machine can be determined with higher accuracy by quantifying the plurality of state signals.
The diagnostic method of the fluid rotating machine according to
請求項4記載の流体回転機械の診断方法は、振動信号が、流体回転機械のケーシングに設置した加速度センサによって測定される流体回転機械の振動の加速度であるので、簡単に測定できる。
請求項5記載の流体回転機械の診断方法は、第1及び第2の状態信号群は流体回転機械の1箇所又は2箇所以上で測定されるので、流体回転機械の異常の検出精度が向上する。
請求項6記載の流体回転機械の診断方法は、第4工程における流体回転機械の状態判断は統計的一般化漸近理論によって行うので、正確に判断可能である。
The fluid rotary machine diagnosis method according to claim 4 can be easily measured because the vibration signal is an acceleration of vibration of the fluid rotary machine measured by an acceleration sensor installed in a casing of the fluid rotary machine.
In the fluid rotary machine diagnosis method according to claim 5, since the first and second state signal groups are measured at one place or two or more places of the fluid rotary machine, the detection accuracy of abnormality of the fluid rotary machine is improved. .
In the fluid rotary machine diagnosis method according to the sixth aspect, since the state determination of the fluid rotary machine in the fourth step is performed by a statistical generalized asymptotic theory, it can be accurately determined.
請求項7記載の流体回転機械の診断方法は、流体回転機械の状態判断は2段階で行われるので、流体回転機械の保全計画を立てることができる。
請求項8記載の流体回転機械の診断方法は、第1及び第2の状態データ群はそれぞれフィルタリングによるノイズ除去、時間平均化、及び包絡線処理のいずれか1又は2以上の前処理が行われるので、計測精度を更に向上することができる。
請求項9記載の流体回転機械の診断方法は、第2の状態信号群はオンラインで処理され、第2の状態信号群の状態信号は逐次解析されて、流体回転機械をオンラインで監視するので、流体回転機械の異常の早期発見が可能となる。
In the fluid rotating machine diagnosis method according to the seventh aspect, the state determination of the fluid rotating machine is performed in two stages, so that a maintenance plan for the fluid rotating machine can be made.
The fluid rotary machine diagnosis method according to claim 8, wherein the first and second state data groups are each subjected to preprocessing of one or more of noise removal by filtering, time averaging, and envelope processing. Therefore, the measurement accuracy can be further improved.
The fluid rotating machine diagnosis method according to claim 9, wherein the second state signal group is processed online, and the state signals of the second state signal group are sequentially analyzed to monitor the fluid rotating machine online. Early detection of abnormalities in fluid rotating machines is possible.
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図1は本発明の一実施の形態に係る流体回転機械の診断方法を適用した流体回転機械の診断装置の説明図、図2、図3はそれぞれ同流体回転機械の診断装置で使用する真空ポンプの平面図、正面図、図4は同流体回転機械の診断方法のフローチャートである。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings for understanding of the present invention.
Here, FIG. 1 is an explanatory diagram of a diagnostic apparatus for a fluid rotary machine to which a fluid rotary machine diagnostic method according to an embodiment of the present invention is applied, and FIGS. 2 and 3 are respectively used in the diagnostic apparatus for the fluid rotary machine. FIG. 4 is a flow chart of a diagnostic method for the fluid rotary machine.
図1〜図3を参照して、本発明の一実施の形態に係る流体回転機械の診断方法を適用した流体回転機械の診断装置(以下、単に診断装置ともいう)10について説明する。
流体回転機械の診断装置10は、回転部に機械要素を有する流体回転機械の一例である真空ポンプ11の診断を行う装置である。
With reference to FIGS. 1 to 3, a fluid rotary machine diagnostic device (hereinafter also simply referred to as a diagnostic device) 10 to which a fluid rotary machine diagnostic method according to an embodiment of the present invention is applied will be described.
The fluid rotary machine
真空ポンプは、例えば、スパッター、イオンプレーティング、真空乾燥、凍結乾燥、ガス回収、脱泡、含浸、又は蒸留等に使用されるが、本実施の形態において真空ポンプ11は、反応容器12内に配置した基板13上に薄膜14を形成する化学蒸着(chemical vapor deposition )を行う化学蒸着装置15に設けられ、反応容器12内を例えば、1〜100Paまで減圧している。化学蒸着装置15の反応容器12には、反応容器12内に供給するキャリアガス及び原料ガスを吹き込むガス供給口16と、反応容器12内のガスを排出するガス排出口17とが設けられ、また、反応容器12の内部又は外部には、基板13と原料ガスとを反応させる熱、プラズマ、又は光等のエネルギーを供給するエネルギー供給部18が設けられている。
The vacuum pump is used for, for example, sputtering, ion plating, vacuum drying, freeze drying, gas recovery, defoaming, impregnation, or distillation. In this embodiment, the
反応容器12のガス排出口17に連結管を介して配置された真空ポンプ11は、図2及び図3に示すように、平行配置される第1及び第2のスクリューロータ19、20を有している。第1及び第2のスクリューロータ19、20は、それぞれ回転軸21、22と、回転軸21、22に設けられてそれぞれが噛み合う螺旋状の歯形部23、24とを有し、第1のスクリューロータ19の一端側にはモータ25の回転軸26が接続されている。なお、第1のスクリューロータ19の歯形部23は右ネジに、第2のスクリューロータ20の歯形部24は左ネジに形成されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
真空ポンプ11は、内部に第1及び第2のスクリューロータ19、20が配置される内筒部27が形成されたケーシング28を有している。また、第1及び第2のスクリューロータ19、20は、それぞれの両端部がケーシング28に設けられたベアリングを有する軸受け29、30、軸受け31、32で支持されている。また、ケーシング28には、ガス排出口17から反応容器12内の気体を吸い込む吸入口33が第1及び第2のスクリューロータ19、20の他端側の回転軸21、22の間に設けられ、第2のスクリューロータ20の一端側の側面部に真空ポンプ11に吸い込まれた気体を真空ポンプ11の外部に排出する吐出口34が設けられている。
The
第1及び第2のスクリューロータ19、20の回転軸21、22の一端部には、それぞれモータ25の駆動によって回転する第1のスクリューロータ19に連動して、第2のスクリューロータ20を回転させるタイミングギア35、36が設けられている。ケーシング28には、吸入口33側の側面に冷却用のフィン37が複数設けられ、更に、吐出口34側の側面に冷却水が供給される冷却水室38が設けられ、反応容器12内の高温のガスを冷却している。
The
ここで、真空ポンプ11は、モータ25を駆動させて第1及び第2のスクリューロータ19、20を回転させ、第1及び第2のスクリューロータ19、20の歯形部23、24とケーシング28の内筒部27とで形成される空間に貯留される気体を吸入口33側から吐出口34側に移動することによって吸入口33から気体を吸引することができる。真空ポンプ11の状態によって、基板13への薄膜14の形成が異なるため、真空ポンプ11の状態を把握して真空ポンプ11の異常を早期に発見することが必要となる。
Here, the
図1に示すように、真空ポンプ11の診断装置10は、第1のスクリューロータ19の回転軸21の軸受け29の上方でケーシング28の上部に振動信号の一例である加速度を検知する加速度センサ39を有している。また、診断装置10は、モータ25の図示しない電源の電気信号の一例である電流値を測定する電流センサ40と、真空ポンプ11の吐出口34に設けられて真空ポンプ11から排出される気体の温度信号である温度を測定する温度センサ41と、真空ポンプ11の吐出口34に設けられて真空ポンプ11から排出される気体の圧力信号である吐出圧を測定する圧力センサ41aとを有している。真空ポンプ11の加速度、モータ25の電流値、及び真空ポンプ11から排出される気体の温度及び圧力は、所定時間間隔、例えば、周波数10Hz〜50kHz(ここでは、25kHz、つまり、40μ秒間間隔)で測定される。
As shown in FIG. 1, the
また、診断装置10は、加速度センサ39、電流センサ40、温度センサ41、及び圧力センサ41aでそれぞれ測定したアナログの状態信号(振動信号、電気信号、温度信号、及び圧力信号)をデジタルの状態データ(振動データ、電気データ、温度データ、及び圧力データ)に変換するA/D変換器42と、A/D変換器42で得られた状態データを処理する処理ユニット43と、処理ユニット43による真空ポンプ11の診断結果等を表示するモニタ44を有している。ここで、測定点の数(n)は、特に限定しないが、少ないと正確な判断が難しく、多いと処理に時間がかかり、処理ユニット43のメモリーを多くしなければならない等の問題がある。なお、診断装置10では、正常時及び点検時における測定点を65536点、測定時間をおよそ2.6秒間とした。
Further, the
次に、図1〜図4を参照して、診断装置10を使用した本発明の一実施の形態に係る流体回転機械の診断方法について説明する。
(第1工程)
まず、真空ポンプ11の正常時に、加速度センサ39、電流センサ40、温度センサ41、及び圧力センサ41aによって真空ポンプ11の振動の加速度(振動信号)、真空ポンプ11のモータ25の電流値(電気信号)、真空ポンプ11の吐出口34から排出される気体の温度(温度信号)及び吐出圧(圧力信号)を所定時間間隔(25kHz、つまり、40μ秒間間隔)で測定して第1の状態信号群を得る。得られた第1の状態信号群のそれぞれの状態信号を、A/D変換器42でそれぞれ有次元の状態データに変換して、第1の状態データ群として処理ユニット43に保存する。ここで、状態データは、デジタル化された振動データ、電気データ、温度データ、及び圧力データである(以下同様)(ステップ1)。
Next, with reference to FIGS. 1-4, the diagnostic method of the fluid rotary machine which concerns on one embodiment of this invention using the
(First step)
First, when the
更に、真空ポンプ11の点検時に、正常時と同様に加速度センサ39、電流センサ40、温度センサ41、及び圧力センサ41aによって振動信号、電気信号、温度信号、及び圧力信号を所定時間間隔(25kHz、つまり、40μ秒間間隔)で測定して第2の状態信号群を得た後、得られた第2の状態信号群のそれぞれの状態信号をA/D変換器42によってデジタル化し、振動データ、電気データ、温度データ、及び圧力データからなる第2の状態データ群を処理ユニット43に保存する(ステップ2)。
Further, when the
(第2工程)
処理ユニット43は、得られた第1及び第2の状態データ群のそれぞれの状態データに対して、フィルタリングによるノイズ除去、時間平均化、及び包絡線処理のいずれか1又は2以上の前処理を行う(ステップ3)。
(Second step)
The
処理ユニット43は、前処理を行った第1及び第2の状態データ群のそれぞれの状態データを無次元のパラメータに変換して、第1及び第2のパラメータ群を得る。ここで、振動データは、それぞれ複数の無次元のパラメータ、例えば歪み度、尖り度、波高率、極小値率、極大値率、最大値率、安定指数、周波数波高率、等価帯域、及び周波数高低比の10個の無次元のパラメータに変換する。なお、歪み度、尖り度、波高率、極小値率、極大値率、最大値率、安定指数、周波数波高率、等価帯域、及び周波数高低比は、それぞれ(5)式〜(14)式で示され、(1)式、(2)式においてそれぞれx1 〜x10とする。また、電気データx11、温度データx12、及び圧力データx13は、それぞれ(22)式〜(24)式で求められる所定時間当たりの変化率、すなわち、電流変動率、温度上昇率、吐出圧変化率として表される。
The
更に、処理ユニット43は、(5)式〜(14)式、(22)式〜(24)式によって得られる各パラメータ(x1 〜x13)から、(25)式に示す時系列の第1及び第2のマトリックスXI をそれぞれ作成する(ステップ4)。
Further, the
(第3工程)
処理ユニット43は、第1及び第2のマトリックスXI を1つの多変量カルバック・ライブラー情報量として算出するために、(25)式から得られるx1 〜x13のそれぞれの平均値μ1 〜μ13からなる平均マトリックスμI (すなわち、正常時のμR 、点検時のμT )を作成する。平均マトリックスμI は、(26)式で示される。また、処理ユニット43は、(25)式及び(26)式から、(27)式に示される正常時及び点検時の共分散マトリックスSI (すなわち、正常時のSR 、点検時のST )をそれぞれ求める(ステップ5)。
(Third step)
The
ここで、μR 、SR 、μT 、ST を(28)式に代入することによって、多変量カルバック・ライブラー情報量MKIを算出する(ステップ6)。 Here, by substituting μ R , S R , μ T , and S T into the equation (28), the multivariate Cullback / librar information amount MKI is calculated (step 6).
(第4工程)
更に、処理ユニット43は、(28)式によって得られたMKIと、統計的一般化漸近理論(15)式から導き出される(19)式〜(21)式に示す判定基準Rk (α)、Rk (β)とを比較する。なお、(29)式に示すように、危険レベルの判定基準Rk (α)は、パラメータの数kが13であり、有意水準αを0.01とすると、70.0となる。また、(30)式に示すように、注意レベルのRk (β)は、パラメータの数kが13であり、有意水準βを0.3とすると、55.6となる。
(4th process)
Further, the
ここで、MKIが48.3よりも小さい場合には、正常時及び点検時の振動データの分布がほぼ同じであり、真空ポンプ11が正常であると判断する。また、MKIが55.6以上で70.0未満の場合には、正常時及び点検時の振動データの分布が異なり、真空ポンプ11に軽微な異常が発生している注意レベルであると判断する。更に、MKIが70.0以上の場合には、正常時及び点検時の振動データの分布が異なり、真空ポンプ11に重大な異常が発生している危険レベルであると判断する。これらの診断結果はモニタ44に表示される(ステップ7)。
Here, when MKI is smaller than 48.3, it is determined that the distribution of vibration data during normal operation and during inspection is substantially the same, and the
ここで、真空ポンプ11が危険レベルである場合には、真空ポンプ11を交換する(ステップ8)。また、真空ポンプ11が注意レベルである場合には、真空ポンプ11の余寿命予測及び精密診断を行う。精密診断は、例えば、第1及び第2のスクリューロータ19、20、モータ25、及び軸受け29〜32等の回転部について行い、異常のある箇所を特定する。余寿命予測及び精密診断により、予め予備の真空ポンプの準備や必要な部品の調達等の保全計画を立てる(ステップ9)。真空ポンプ11が正常である場合には、所定の点検時に再び真空ポンプ11を診断装置10で検査する。なお、モニタ44には診断結果の他に、パラメータx1 〜x13の結果等を表示してもよい。
Here, if the
本発明は、前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能であり、例えば、前記した実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明の流体回転機械の診断方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
例えば、前記実施の形態の流体回転機械の診断方法において、流体回転機械として、真空ポンプを使用したが、送風機、又は圧縮機等でもよい。また、流体回転機械には、気体を供給したが、液体を使用してもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed without changing the gist of the present invention. For example, a part or all of the above-described embodiment and modification examples are combined. Thus, the case where the fluid rotary machine diagnosis method of the present invention is configured is also included in the scope of the right of the present invention.
For example, although the vacuum pump is used as the fluid rotating machine in the fluid rotating machine diagnosis method of the above embodiment, a blower or a compressor may be used. Further, although gas is supplied to the fluid rotary machine, a liquid may be used.
流体回転機械(例えば、真空ポンプ)の状態信号としては、振動信号、電気信号、温度信号、及び圧力信号を測定したが、流体回転機械を冷却する冷却水の流量及び温度の一方又は双方を検知した信号、又は、流体回転機械に供給するガスの流量及び温度の一方又は双方を検知した信号等を測定してもよい。更に、これらの2以上を組み合わせて測定してもよい。 As a status signal of a fluid rotary machine (for example, a vacuum pump), a vibration signal, an electric signal, a temperature signal, and a pressure signal are measured, and one or both of the flow rate and temperature of cooling water for cooling the fluid rotary machine are detected. Or a signal that detects one or both of the flow rate and temperature of the gas supplied to the fluid rotary machine may be measured. Furthermore, you may measure combining these 2 or more.
また、振動信号としては、流体回転機械の振動の加速度としたが、流体回転機械の振動の変位及び速度の一方又は双方を振動信号としてもよく、これらを組み合わせてもよい。電気信号としては、流体回転機械の回転部を回転させるモータの電流値としたが、モータの電圧値及び抵抗値の一方又は双方を電気信号としてもよく、これらを組み合わせてもよい。 Further, although the vibration signal is the acceleration of the vibration of the fluid rotating machine, one or both of the displacement and speed of the vibration of the fluid rotating machine may be used as a vibration signal, or these may be combined. The electric signal is the current value of the motor that rotates the rotating part of the fluid rotary machine, but one or both of the voltage value and the resistance value of the motor may be an electric signal, or a combination thereof.
また、加速度センサを第1のスクリューロータの回転軸のモータとは反対側の軸受けの上方でケーシングの上部に取付けたが、加速度を測定できればよく、第2のスクリューロータの回転軸の軸受けの上方でケーシングの上部等に取付けてもよい。また、加速度センサをケーシングの上部の1箇所に取付けたが、2箇所以上、例えば第1及び第2のスクリューロータの回転軸の水平方向、及び、第1及び第2のスクリューロータの回転軸の軸心と同一方向等のケーシングの側面に取付けて、それぞれの加速度センサで加速度を測定し、1つの多変量カルバック・ライブラー情報量として計算してもよい。 Further, although the acceleration sensor is mounted on the upper part of the casing above the bearing on the opposite side to the motor of the rotation axis of the first screw rotor, it is sufficient if the acceleration can be measured and above the bearing of the rotation axis of the second screw rotor. It may be attached to the upper part of the casing. Moreover, although the acceleration sensor was attached to one place of the upper part of a casing, two or more places, for example, the horizontal direction of the rotating shaft of the 1st and 2nd screw rotor, and the rotating shaft of the 1st and 2nd screw rotor It may be attached to the side surface of the casing in the same direction as the axis, and the acceleration may be measured by each acceleration sensor, and calculated as one multivariate Kullback / librar information amount.
点検時に測定される第2の状態信号群をオフラインで処理したが、オンラインで処理し、第2の状態信号群の状態信号を逐次解析して、流体回転機械をオンラインで監視してもよい。また、複数の流体回転機械をインターネット又はイントラネット等のネットワークで接続して、1つの処理装置、例えばパーソナルコンピュータで解析してもよい。第2の状態信号群をオンラインで逐次解析することによって、流体回転機械の異常の早期発見が可能となる。 Although the second state signal group measured at the time of the inspection is processed off-line, the fluid rotating machine may be monitored on-line by processing on-line and sequentially analyzing the state signals of the second state signal group. Further, a plurality of fluid rotating machines may be connected by a network such as the Internet or an intranet and analyzed by one processing device, for example, a personal computer. By sequentially analyzing the second state signal group online, it is possible to detect an abnormality of the fluid rotary machine early.
10:流体回転機械の診断装置、11:真空ポンプ、12:反応容器、13:基板、14:薄膜、15:化学蒸着装置、16:ガス供給口、17:ガス排出口、18:エネルギー供給部、19:第1のスクリューロータ、20:第2のスクリューロータ、21、22:回転軸、23、24:歯形部、25:モータ、26:回転軸、27:内筒部、28:ケーシング、29〜32:軸受け、33:吸入口、34:吐出口、35、36:タイミングギア、37:フィン、38:冷却水室、39:加速度センサ、40:電流センサ、41:温度センサ、41a:圧力センサ、42:A/D変換器、43:処理ユニット、44:モニタ 10: Diagnosis device for fluid rotating machine, 11: Vacuum pump, 12: Reaction vessel, 13: Substrate, 14: Thin film, 15: Chemical vapor deposition device, 16: Gas supply port, 17: Gas discharge port, 18: Energy supply unit , 19: first screw rotor, 20: second screw rotor, 21, 22: rotating shaft, 23, 24: tooth profile portion, 25: motor, 26: rotating shaft, 27: inner cylinder portion, 28: casing, 29 to 32: bearings, 33: suction port, 34: discharge port, 35, 36: timing gear, 37: fin, 38: cooling water chamber, 39: acceleration sensor, 40: current sensor, 41: temperature sensor, 41a: Pressure sensor, 42: A / D converter, 43: processing unit, 44: monitor
Claims (9)
前記第1の状態データ群をそれぞれ無次元の第1のパラメータ群に変換した時系列の第1のマトリックスと、前記第2の状態データ群をそれぞれ無次元の第2のパラメータ群に変換した時系列の第2のマトリックスとをそれぞれ作成する第2工程と、
前記第1及び第2のマトリックスを1つの多変量カルバック・ライブラー情報量として算出する第3工程と、
前記多変量カルバック・ライブラー情報量によって前記流体回転機械の状態を判断する第4工程とを有し、
前記流体回転機械の正常時の状態信号と点検時の状態信号とを比較して前記回転機械の異常を検知することを特徴とする流体回転機械の診断方法。 A dimensional first state is obtained by measuring a first state signal group composed of a plurality of state signals indicating the state of the fluid rotary machine when the fluid rotary machine having a mechanical element in the rotating unit is normal at predetermined time intervals. After obtaining the data group, a second state signal group consisting of a plurality of state signals indicating the state of the fluid rotary machine at the time of inspection of the fluid rotary machine is measured at predetermined time intervals, respectively. A first step of obtaining a data group;
A time-series first matrix obtained by converting the first state data group to a dimensionless first parameter group, and a time series first matrix converted to a dimensionless second parameter group, respectively. A second step of creating a second matrix of series respectively;
A third step of calculating the first and second matrices as one multivariate Kullback-Liber information amount;
And a fourth step of determining the state of the fluid rotary machine based on the multivariate Kalbach librarian information amount,
A diagnostic method for a fluid rotary machine, comprising: comparing a normal state signal of the fluid rotary machine with a state signal at the time of inspection to detect abnormality of the rotary machine.
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